郭 帥,谷龍飛,李 碩
(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)
隨著國務(wù)院以及國家發(fā)改委推進(jìn)《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》以及《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等國家相關(guān)政策,按照《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》的總體要求,有色金屬行業(yè)智能化升級勢在必行。
地下礦無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸技術(shù)是當(dāng)今地下礦山有軌礦石運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù),采用無人駕駛運(yùn)輸技術(shù)可以取消運(yùn)輸環(huán)節(jié)現(xiàn)場操作人員,實(shí)現(xiàn)人員本質(zhì)安全,大幅度提高運(yùn)輸效率[1]。同時(shí),還可以有效解決井下運(yùn)輸區(qū)人員缺乏和地下作業(yè)人員過多的問題,對提高運(yùn)輸環(huán)節(jié)的工作效率也十分重要。
礦山有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)是礦山生產(chǎn)以及礦山流轉(zhuǎn)的關(guān)鍵系統(tǒng),其運(yùn)輸能力以及運(yùn)輸調(diào)度效率對于提高礦山企業(yè)的生產(chǎn)能力和效率具有十分必要的意義。
(1)合理的線路規(guī)劃與設(shè)計(jì),提高投資的經(jīng)濟(jì)性
對于傳統(tǒng)的礦山有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言,主要是應(yīng)用公式以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對于運(yùn)輸系統(tǒng)的裝卸以及運(yùn)輸時(shí)間預(yù)估測算,再根據(jù)機(jī)車粘重以及礦車數(shù)量、礦車立方數(shù)、礦石粘重以及裝滿系數(shù)等參數(shù)估算單次運(yùn)量,最后依據(jù)速度和線路長度估算出循環(huán)時(shí)間,此種方式在多個(gè)編組同時(shí)運(yùn)行的情況下,未考慮調(diào)度時(shí)間以及實(shí)際運(yùn)行過程中的加減速時(shí)間,經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取舍造成估算值與實(shí)際值的偏差,因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初,會使得編組數(shù)量選擇與實(shí)際合理值的偏差。選擇過多的電機(jī)車編組,實(shí)際運(yùn)輸量超過采區(qū)的倒礦量造成編組閑置,會導(dǎo)致浪費(fèi)礦山成本、增加維護(hù)工作。所選擇的電機(jī)車數(shù)量不夠,又會使運(yùn)量短缺,影響礦山生產(chǎn)能力。因此利用先進(jìn)的仿真軟件,提前仿真模擬運(yùn)輸量,設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)型有重要的參考意義。
(2)優(yōu)化運(yùn)輸調(diào)度模式,完善系統(tǒng)的科學(xué)性與可靠性
運(yùn)輸調(diào)度是無人運(yùn)輸系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),合理地適應(yīng)線路的生產(chǎn)模式的運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)能起到提高效率、保證安全的作用[2]。
在設(shè)計(jì)調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度策略時(shí),經(jīng)過仿真的平臺模擬運(yùn)行驗(yàn)證之后的調(diào)度策略才是較為安全可靠的運(yùn)輸策略,對于諸如礦石運(yùn)輸?shù)碾x散事件,如僅用人腦推理,很難預(yù)知長時(shí)間運(yùn)行過程中會發(fā)生安全隱患。對于運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)來說,仿真系統(tǒng)可以對其科學(xué)性及可靠性進(jìn)行驗(yàn)證,因此無人駕駛系統(tǒng)下的運(yùn)力與調(diào)度策略研究,優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。
在計(jì)算機(jī)仿真中,利用系統(tǒng)模型來對物理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并借助于專家知識經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究。根據(jù)研究系統(tǒng)的不同,系統(tǒng)仿真又可以分為離散系統(tǒng)仿真和聯(lián)系事件仿真,礦山電機(jī)車有軌運(yùn)輸因其運(yùn)輸環(huán)節(jié)多并且多列車并發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn),是典型的離散事件系統(tǒng)。
Anylogic 軟件是一款應(yīng)用廣泛,對離散、連續(xù)和回合系統(tǒng)建模和仿真的工具[3],本文利用該軟件以及自帶的軌道運(yùn)輸庫以及嵌入模塊進(jìn)行離散連續(xù)混合系統(tǒng)建模。
井下有軌運(yùn)輸系統(tǒng)主要實(shí)施在礦山有軌運(yùn)輸中段,其主要生產(chǎn)作業(yè)內(nèi)容包括礦石的裝載、電機(jī)車運(yùn)輸、礦石卸載三大部分。在運(yùn)輸過程中,礦車對該過程循環(huán)往復(fù),完成礦石流的運(yùn)轉(zhuǎn)。礦石裝載主要通過遙控或者現(xiàn)場操作的方式,將溜井內(nèi)從采場下放的礦石裝載到機(jī)車編組的各礦車中,因?yàn)榈V車數(shù)量往往比較多(10 個(gè)左右),因此裝載過程需要一定時(shí)間進(jìn)行機(jī)車位置調(diào)整,在離散事件模型中,可看做一個(gè)固定耗時(shí)環(huán)節(jié)。
電機(jī)車運(yùn)輸過程是運(yùn)輸?shù)闹饕^程,分為從裝載站至卸載站的運(yùn)輸、從卸載站至裝載站的運(yùn)輸兩個(gè)過程。在多個(gè)編組同時(shí)運(yùn)行時(shí),上述兩個(gè)過程往往會出現(xiàn)交叉,因此就會出現(xiàn)沖突,包括交叉沖突以及對頭沖突等[4],這是調(diào)度系統(tǒng)需要避免發(fā)生的情況。實(shí)際運(yùn)輸?shù)倪^程即電機(jī)車加速-勻速-減速運(yùn)行的過程,期間的速度控制在人工操作的情況下往往不是固定的,運(yùn)輸時(shí)間也會受調(diào)度效率的影響,是重點(diǎn)的仿真對象。
目前,國內(nèi)大部分礦山井下軌道運(yùn)輸均采用人工現(xiàn)場駕駛操控,只有少數(shù)礦山采用人工地面遠(yuǎn)程遙控駕駛。采用人工地面遠(yuǎn)程遙控駕駛的運(yùn)輸系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了部分運(yùn)輸線路的自動(dòng)無人駕駛,運(yùn)輸線路采用固定區(qū)間閉塞的方法實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制,采用該技術(shù)車與車之間的間隔變長,運(yùn)輸時(shí)間也相應(yīng)變長,影響生產(chǎn)效率及運(yùn)力。
采用Anylogic 軟件進(jìn)行模擬的運(yùn)力計(jì)算即通過軟件,使用同樣的原始數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際線路及生產(chǎn)設(shè)備比例進(jìn)行建模。通過軟件編程以及調(diào)度算法和統(tǒng)計(jì)公式,最終計(jì)算出在不同情況下,有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸量。與傳統(tǒng)運(yùn)力計(jì)算不同的是,采用Anylogic的仿真模擬運(yùn)力計(jì)算可以靈活的根據(jù)設(shè)置不同參數(shù)的變化來進(jìn)行運(yùn)力以及線路的優(yōu)化,因而可以提高線路的利用率,最大化提升運(yùn)力。同時(shí),對于運(yùn)輸過程中的一些調(diào)度以及線路設(shè)計(jì)的不合理問題,可以提前發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
本文模擬仿真采用自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度策略是以溜井料位信號為礦石運(yùn)輸指揮基礎(chǔ),在模擬仿真前系統(tǒng)根據(jù)上層采區(qū)出礦量進(jìn)行各溜井料位的預(yù)估,生成表函數(shù),根據(jù)各溜井占總出礦量的百分比進(jìn)行自動(dòng)置數(shù),至此獲得各溜井料位。
仿真系統(tǒng)在編組生成時(shí)首先對比各溜井料位,由篩選子程序計(jì)算出料位最高的溜井,在開始時(shí)指派電機(jī)車前往最高料位溜井裝載,完成后自動(dòng)卸載,卸載結(jié)束后再次運(yùn)行篩選子程序,獲得當(dāng)前最高料位溜井,再次進(jìn)行裝載循環(huán)。當(dāng)前最高料位溜井已經(jīng)有編組在裝載時(shí),篩選子程序則篩選出第二高的料位,指派當(dāng)前車輛前往裝載,如果當(dāng)前料位第一高和第二高的溜井均有車在裝載,那么該編組則在第一高料位溜井處等待。
為防止編組之間發(fā)生碰撞造成軟件報(bào)錯(cuò),仿真系統(tǒng)在道岔處實(shí)行搶占機(jī)制,即先到達(dá)該道岔20 m距離內(nèi)的編組獲得該道岔的使用權(quán),在道岔使用時(shí)產(chǎn)生占用標(biāo)志位,其他編組在經(jīng)過已被占用的道岔時(shí)需要等待,直到上個(gè)編組駛過該道岔20 m 后才可通過[5]。當(dāng)發(fā)生多個(gè)車前往一個(gè)溜井裝載作業(yè)時(shí),系統(tǒng)會進(jìn)行排隊(duì),即當(dāng)上個(gè)編組裝載完成后下一個(gè)編組自動(dòng)裝載,同時(shí)對記錄等待時(shí)間。
仿真系統(tǒng)根據(jù)上述自動(dòng)調(diào)度策略進(jìn)行連續(xù)狀態(tài)下的模擬仿真,理論上可實(shí)行無限時(shí)長的運(yùn)力計(jì)算,仿真的過程中,系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示出溜井的料位值并且可隨時(shí)人工更改溜井的料位。
本文以某礦山為例,基于對現(xiàn)場的實(shí)地考察踏勘,以及收集到的原始資料圖紙,采用Anyloic 軟件對該礦山有軌運(yùn)輸中段進(jìn)行建模,運(yùn)用第二章所述的調(diào)度邏輯進(jìn)行運(yùn)輸?shù)姆抡婧瓦\(yùn)力的統(tǒng)計(jì)。
線路模型建立需要利用Anylogic 軟件中的軌道庫,本模型采用1∶224.5,對中段的16 個(gè)道岔、24 個(gè)溜井以及1 個(gè)卸載站進(jìn)行建模,模型如圖1 所示。
圖1 模型線路建模
根據(jù)實(shí)際電機(jī)車的尺寸和數(shù)量進(jìn)行建模,利用Anylogic 中提供的軌道庫模型,其中礦車數(shù)量可調(diào)。本仿真中,編組長度也是仿真的重要參數(shù),因此不可以將其視為質(zhì)點(diǎn)。機(jī)車模型及線路建立可顯示3D效果。
機(jī)車的模型需要強(qiáng)調(diào)一下,本仿真采用了兩種機(jī)車模型,一種為單機(jī)牽引模式,該模式一個(gè)編組由一臺電機(jī)車,牽引7 節(jié)礦車組成;第二種為雙機(jī)牽引模式,即一個(gè)編組前后各一臺電機(jī)車,前拉后推,同時(shí)提供動(dòng)力牽引中間的12 節(jié)礦車組成。
利用Anylogic 軟件中的邏輯流程模塊,如數(shù)據(jù)源、消逝、隊(duì)列、MoveTo 等,可以較為方便的建立基于離散時(shí)間的邏輯流程圖,利用JAVA 語言對各模塊進(jìn)行定義,完成邏輯層的建模[6]。部分邏輯層建模如圖2 所示。
圖2 邏輯層部分建模
圖3 是1-1 和1-2 溜井的邏輯建模示例,其他22 個(gè)溜井也按照同樣的邏輯進(jìn)行建模。模型中的參數(shù)和函數(shù)建立如圖3 所示。
圖3 參數(shù)以及函數(shù)采用
仿真參數(shù)包括列車運(yùn)行參數(shù)和溜井料位的表函數(shù)設(shè)定。運(yùn)行參數(shù)設(shè)定均為現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行參數(shù),如表1 所示。
表1 編組運(yùn)行參數(shù)表
溜井料位分布仿真表函數(shù)取值如表2 所示。
表2 溜井料位模擬表
邏輯仿真流程為:
(1)通過trainSource 模塊進(jìn)行編組生成,每間隔100s 生成一輛列車,生成列車賦予相應(yīng)初始速度以及加速度。
(2)由TrainMoveTo 模塊將生成后的列車前往第一個(gè)道岔,在即將到達(dá)第一個(gè)道岔時(shí)調(diào)用compare篩選函數(shù),對比各溜井料位,由篩選子程序計(jì)算出料位最高的溜井,在經(jīng)過Select 函數(shù)查詢對應(yīng)溜井名稱,反饋給SelectOutPutOut 功能塊,并指派電機(jī)車前往最高料位溜井裝載。函數(shù)反饋值為SelectOutPut-Out 類型,由溜井對應(yīng)的模塊進(jìn)行傳遞。
(3)由TrainMoveTo 模塊將列車前往指定溜井裝載,進(jìn)入穿脈時(shí)列車根據(jù)減速度設(shè)定自動(dòng)減速到指定速度,裝載過程中通過Delay 模塊進(jìn)行計(jì)時(shí)。
(4)計(jì)時(shí)完畢后,經(jīng)過轉(zhuǎn)轍機(jī)前,由Selectoutput選擇模塊,進(jìn)行轉(zhuǎn)轍機(jī)位置標(biāo)志位判斷。若該轉(zhuǎn)轍機(jī)未被占用,則通過轉(zhuǎn)轍機(jī);若被占用,則進(jìn)入等待循環(huán),線路上每個(gè)轉(zhuǎn)轍機(jī)均經(jīng)過一個(gè)Selectoutput 選擇模塊進(jìn)行占用判斷。
(5)由TrainMoveTo 模塊將列車前往卸載站,根據(jù)設(shè)定的加減速度,列車減速至設(shè)定的卸載速度。
(6)列車通過卸載站后有trainDispose 模塊進(jìn)行列車重置,至此一個(gè)循環(huán)結(jié)束。
(7)編組通過trainSource 模塊重新置入線路中,開始新的循環(huán)。
仿真過程的3D 圖像,如圖4 所示。
圖4 仿真過程3D 圖
根據(jù)第三章所述的方法進(jìn)行建模后,由total 函數(shù)進(jìn)行最終的運(yùn)輸結(jié)果自動(dòng)統(tǒng)計(jì),同時(shí)還對等待時(shí)間結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。
本仿真最終模擬的情況類型:
對于單機(jī)牽引模式,在參考實(shí)際情況牽引7 節(jié)礦車,運(yùn)力達(dá)到設(shè)計(jì)的12 521 t/d 的情況下,系統(tǒng)仿真了編組數(shù)量從1~10 之間的所需時(shí)間,同時(shí)統(tǒng)計(jì)了編組數(shù)量從1~10 之間的等待時(shí)間的變化。
對于雙機(jī)牽引模式,在參考實(shí)際情況牽引12 節(jié)礦車,運(yùn)力達(dá)到設(shè)計(jì)的12 521 t/d 的情況下,系統(tǒng)仿真了編組數(shù)量從1~5 之間的所需時(shí)間,同時(shí)統(tǒng)計(jì)了編組數(shù)量從1~5 之間的等待時(shí)間的變化。
單機(jī)牽引的時(shí)間統(tǒng)計(jì),如圖5 所示。
圖5 單機(jī)牽引編組數(shù)量與達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)量關(guān)系圖
單機(jī)牽引的等待時(shí)間統(tǒng)計(jì),如圖6 所示。
圖6 單機(jī)牽引編組數(shù)量與達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)量關(guān)系時(shí)等待時(shí)間關(guān)系圖
雙機(jī)牽引的時(shí)間統(tǒng)計(jì),如圖7 所示。
圖7 單機(jī)/雙機(jī)牽引編組數(shù)量與達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)量關(guān)系圖
筆者之前取得的編組等待時(shí)間,為運(yùn)輸線路上所有機(jī)車的等待時(shí)間的總和,現(xiàn)將兩種牽引方式的總的等待時(shí)間,分別除以其各自的編組數(shù)量,得到的是單個(gè)編組的平均等待時(shí)間,圖8 為兩種牽引方式下單個(gè)編組平均等待時(shí)間的對比。
圖8 單個(gè)編組平均等待時(shí)間對比
從礦山的實(shí)際生產(chǎn)條件作為分析,按照生產(chǎn)單位四班三倒的工作制度,每班有效工作時(shí)間按照6 h計(jì)算,那么系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間每天為18 h,減掉每天設(shè)備點(diǎn)檢的3 h,系統(tǒng)每天實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)時(shí)間約為15 小時(shí)即900 min 左右。因此,考慮每天達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量的時(shí)間必須不超過900 min,同時(shí)需要兼顧成本。
結(jié)合上面的分析以及仿真結(jié)果,在單機(jī)牽引的情況下,需要6 個(gè)及以上編組進(jìn)行運(yùn)輸;在雙機(jī)牽引的情況下,需要采用3 個(gè)及以上的編組進(jìn)行運(yùn)輸。
考慮到礦山投資成本問題,采用最少的編組數(shù)量完成任務(wù)是生產(chǎn)企業(yè)效益最大化的目標(biāo),因此最經(jīng)濟(jì)的情況為:采用雙機(jī)牽引3 個(gè)編組,經(jīng)過892.5 min 運(yùn)輸82 趟,或者采用單機(jī)牽引6 列編組,經(jīng)過784.5 min 運(yùn)輸140 趟完成任務(wù)。
根據(jù)等待時(shí)間對比圖,目前的料位分布和線路的情況下,3 編組雙機(jī)模式平均編組等待時(shí)間為52.6 min,6 編組單機(jī)模式平均編組等待時(shí)間為119.8 min,為雙機(jī)的一倍還多,因此根據(jù)等待時(shí)間的長度來比較,選擇雙機(jī)牽引較為合適,因?yàn)檫^多的等待時(shí)間意為著更多的避讓停車和排隊(duì),就意味著需要更加頻繁的啟停,這樣對于設(shè)備的保養(yǎng)和能源的消耗均不利。
模擬過程中由于4-2、7-1、8-2 和4-6 四個(gè)溜井料位設(shè)置較高時(shí)(約占總運(yùn)輸量的45%),根據(jù)料位高的溜井優(yōu)先裝礦的原則,大量編組來此區(qū)域裝礦,當(dāng)編組數(shù)量超過5 輛時(shí),在4-6 溜井會出現(xiàn)明顯的排隊(duì)等待情況,因此根據(jù)線路設(shè)計(jì),在多編組運(yùn)行并且出礦點(diǎn)集中在上述幾個(gè)溜井時(shí),會出現(xiàn)4-5 和4-6溜井所在巷道的排隊(duì)現(xiàn)象,增加了等待時(shí)間,從而造成運(yùn)輸瓶頸效應(yīng),影響運(yùn)力以及調(diào)度效率。
理想狀態(tài)下的料位分布應(yīng)該是比較均勻,這樣可以最大化的利用運(yùn)輸線路,較少排隊(duì)的情況出現(xiàn)。在溜井的位置設(shè)計(jì)上,在本模型的仿真實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),由于溜井4-4、4-5 和4-6 均設(shè)在干線上,容易造成在該溜井裝礦的車輛和經(jīng)過該線路卸礦車輛的擁堵。
(1)針對本模型中的線路分布,建議其將溜井4-4、4-5 和4-6 移位至穿脈內(nèi),使得在右側(cè)盤區(qū)裝載完成的編組不需要在經(jīng)過任何干線上的溜井,這樣可以最大化的提高運(yùn)輸線路利用率,減少排隊(duì)時(shí)間,提高運(yùn)力。
(2)對于干線上存在的溜井,如果不能移位處理,可以在采區(qū)倒礦時(shí)進(jìn)行對應(yīng)調(diào)度,將這些溜井的礦量保持低位或者降低溜井的裝載任務(wù)優(yōu)先級。
對于兩種牽引方式的仿真對比結(jié)果可以看出:
(1)兩種牽引方式在運(yùn)輸量上均能夠以基本相同的電機(jī)車數(shù)量完成指定時(shí)間內(nèi)的裝載任務(wù)量。
(2)從單個(gè)編組的等待時(shí)間進(jìn)行觀察,完成同樣運(yùn)力的情況下,雙機(jī)模式運(yùn)行的單個(gè)編組等待時(shí)間總是比單機(jī)模式運(yùn)行的單個(gè)編組等待時(shí)間低,因此,雙機(jī)牽引模式的調(diào)度效率比較高,并且等待時(shí)間短意味著啟停排隊(duì)的次數(shù)較少,對于設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)和能源耗費(fèi)有所節(jié)省。
(3)對于實(shí)現(xiàn)相同的運(yùn)力目標(biāo),單機(jī)牽引總是比雙機(jī)牽引多一倍的編組數(shù)量,因此在調(diào)度監(jiān)視員的數(shù)量個(gè)工作壓力方面,雙機(jī)牽引更為輕松一些。
(4)由于雙機(jī)牽引控制連續(xù)性較好,在裝載時(shí)間的控制上要優(yōu)于單機(jī)牽引,自動(dòng)模式下,雙機(jī)模式在經(jīng)過裝載站時(shí)可以穩(wěn)定地直接對位裝載,單機(jī)模式由于其經(jīng)過裝載站會失去動(dòng)力,因此會依靠慣性通過,再停車后退回進(jìn)行裝載對位,在裝載環(huán)節(jié)會耗費(fèi)更多的時(shí)間。
本文驗(yàn)證了使用Anylogic 仿真模擬軟件對井下有軌運(yùn)輸進(jìn)行運(yùn)力模擬的方式是可行的,且該方式對于傳統(tǒng)的運(yùn)力計(jì)算方式有較大優(yōu)勢,同時(shí)該模擬也作為有軌運(yùn)輸無人駕駛的運(yùn)輸調(diào)度驗(yàn)證平臺對以溜井料位為指導(dǎo)的無人駕駛自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證,因此本文的仿真模擬對于有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的無人化設(shè)計(jì)和改造具有一定的借鑒意義。